段正康，謝 帆，張 濤，李 晟，閆建華

（湘潭大學化工學院，湖南湘潭411105）

硝酸鉀生產(chǎn)工藝概述及復分解法存在的問題與對策*

段正康，謝 帆，張 濤，李 晟，閆建華

（湘潭大學化工學院，湖南湘潭411105）

概述了國內(nèi)外生產(chǎn)硝酸鉀的4種主要工藝方法:硝酸鈉與氯化鉀轉化法、硝酸銨與氯化鉀離子交換法、硝酸與氯化鉀溶劑萃取法和硝酸銨與氯化鉀復分解循環(huán)法，并比較了這4種不同生產(chǎn)工藝方法的特點。其中硝酸銨與氯化鉀復分解循環(huán)法是中國生產(chǎn)硝酸鉀主要采用的工藝方法，重點介紹了該工藝存在的一些主要問題，如硝酸鉀分離效果差，硝酸鉀冷卻結晶率低，結晶器換熱面結垢嚴重，除雜效果不理想等，并提出了相應的建議與改進措施。

硝酸鉀；生產(chǎn)工藝；復分解循環(huán)法；改進措施

硝酸鉀又名硝石、鹽硝、火硝，化學式為KNO3，是一種無氯高品質肥料和無機化工產(chǎn)品，在農(nóng)業(yè)和工業(yè)上均有廣泛的應用。農(nóng)業(yè)上，硝酸鉀作為一種優(yōu)質的無氯鉀肥，特別適用于煙草、咖啡、茶葉、花卉等忌氯喜鉀的旱地經(jīng)濟作物，而且硝酸鉀作為肥料是由有效物質組成，施用后不會改變土壤質量或引起作物病變；工業(yè)上，硝酸鉀主要用于制造火藥、金屬焊接助劑、合成氨催化劑、玻璃制品、陶瓷等；食品方面可用作肉制品的發(fā)色劑、防腐劑等；醫(yī)藥方面還可用作利尿劑、清涼劑以及生產(chǎn)青霉素鉀鹽、利福平等藥物［1-2］。此外，工業(yè)級硝酸鉀在玻璃制造方面的應用上近年來也展現(xiàn)了良好的發(fā)展前景［3］，早前美國就已經(jīng)開始將硝酸鉀用于光學玻璃的制造，現(xiàn)在很多玻璃廠家也相繼開始采用硝酸鉀生產(chǎn)手機屏幕和平板電腦等高端化學強化玻璃，隨著中國經(jīng)濟持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)展，硝酸鉀的發(fā)展空間將會越來越大，市場需求也會不斷地增加。

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)硝酸鉀的主要工藝有轉化法、離子交換法、溶劑萃取法和復分解法，其中復分解法是中國生產(chǎn)硝酸鉀的主要工藝方法［4-5］。筆者簡要介紹了這4種工藝，對復分解循環(huán)法生產(chǎn)硝酸鉀存在的主要問題做了分析，并提出了相應的改進措施。

1 硝酸鉀主要生產(chǎn)工藝

1.1 硝酸鈉與氯化鉀轉化法

20世紀50年代以前，硝酸鉀的生產(chǎn)工藝主要采用以智利硝石和氯化鉀為原料的轉化法，利用可溶性鹽在不同溫度下溶解度的差異來達到生產(chǎn)硝酸鉀的目的。此法的副產(chǎn)物為氯化鈉，反應式如下:

KCl+NaNO3→KNO3+NaCl

在循環(huán)母液中溶解氯化鉀和智利硝石，先通過蒸發(fā)、增濃、離心分離得到氯化鈉副產(chǎn)物，再將分離的母液加水調(diào)節(jié)濃度、經(jīng)真空冷卻結晶、增濃、離心分離得到粗硝酸鉀，最后通過精制釜重結晶可得到工業(yè)級的硝酸鉀產(chǎn)品。工藝流程如圖1所示。

圖1 復分解循環(huán)法工藝流程圖

1986年，新疆烏宗布拉克地區(qū)發(fā)現(xiàn)了罕見的鉀硝石礦，吐魯番地區(qū)化工廠首創(chuàng)了直接從鉀石礦中提取硝酸鉀的工藝［6］。經(jīng)分析，該礦還含有較多硝酸鈉，張永錄［7］提出可以通過加入氯化鉀將礦石中的硝酸鈉轉化為硝酸鉀產(chǎn)品。但該法在蒸發(fā)結晶提取氯化鈉的操作過程中容易產(chǎn)生爆沸現(xiàn)象，不利于真空高效蒸發(fā)器及多效蒸發(fā)設施的采用，而且經(jīng)此法析出的氯化鈉晶體晶粒細、質量差、過濾困難，析出的硝酸鉀晶體質量也不高。為克服這些不足，張罡［8］研發(fā)了先提硝酸鉀，后提氯化鈉的方法。該法在硝酸鉀冷卻結晶析出的過程中，氯化鈉沒有達到飽和，不會有晶體析出，因此所得的硝酸鉀晶粒大，晶體質量好，同時其副產(chǎn)物氯化鈉晶體晶粒大，夾帶的硝酸鉀含量少，容易過濾分離。

轉化法流程簡單，主要缺點是容易受到資源的限制，副產(chǎn)物氯化鈉市場價值不大，集中堆放會對環(huán)境造成污染。

1.2 硝酸銨與氯化鉀離子交換法

離子交換樹脂是一種功能型高分子材料，可解離出陽離子或陰離子基團，其功能主要是實現(xiàn)樹脂內(nèi)部的相對離子與水中存在同電荷的離子的交換反應［9］。當溶液中的鉀離子通過銨型離子交換樹脂時，與樹脂中的銨離子發(fā)生交換反應，為吸附反應，離子交換樹脂由銨型轉變?yōu)殁浶?，反應式?

RNH4+KCl=RK+NH4Cl

當溶液中的銨離子通過鉀型離子交換樹脂時，與樹脂中的鉀離子發(fā)生交換反應，為洗脫反應，同時離子交換樹脂由鉀型變?yōu)殇@型，反應式為:

RK+NH4NO3=RNH4+KNO3［10-11］

先將氯化鉀溶液打入離子交換柱內(nèi)進行吸附反應，反應生成的氯化銨溶液經(jīng)三效蒸發(fā)、冷卻結晶、增濃、離心分離得氯化銨產(chǎn)品；再將硝酸銨溶液打入離子交換柱內(nèi)進行洗脫反應，反應生成的硝酸鉀溶液經(jīng)三效蒸發(fā)后，再經(jīng)冷卻結晶、增濃、離心分離、干燥、造粒即可得到顆粒硝酸鉀產(chǎn)品。工藝流程如圖2所示。

圖2 離子交換法工藝流程圖

為了解決固定床離子交換技術存在的“濃度脈沖”現(xiàn)象，美國先進分離技術公司（簡稱AST）研究開發(fā)了ISEP技術，即連續(xù)式離子交換技術。該法流出的硝酸鉀溶液純度高，工藝流程短，可連續(xù)操作［12］；主要缺點是交換所得溶液濃度低，蒸發(fā)成本高，設備要求較高。

1.3 硝酸和氯化鉀溶劑萃取法

溶劑萃取法大體可分為3類:萃取HCl法［13］、萃取HNO3法［14］、HCl和HNO3分別萃取法［15-17］。以色列利用有機溶劑萃取HCl的IMI法是目前主要應用在工業(yè)上的溶劑萃取法，該工藝在低溫和有機溶劑的存在下不容易發(fā)生副反應，副產(chǎn)物鹽酸可用于分解磷礦生產(chǎn)磷酸。反應式為:

KCl+HNO3→KNO3+HCl

氯化鉀與冷卻的硝酸以化學計算量加入到5～10℃下的串聯(lián)反應器中，循環(huán)液與溶劑也一并加入槽中，反應完全后再通過分離、干燥得到硝酸鉀產(chǎn)品。系統(tǒng)中未反應的硝酸和鹽酸被移除到溶劑相中，對溶劑相進行處理，回收純的鹽酸，剩余溶劑和硝酸的混合物循環(huán)返回反應系統(tǒng)。工藝流程如圖3所示。

圖3 溶劑萃取法工藝流程圖

硝酸和氯化鉀溶劑萃取法工藝是在常溫、低壓的條件下操作，需配置冷凍裝置，由此增加了能耗；萃取劑使用異戊醇，在工廠應用中有爆炸的危險；副產(chǎn)物鹽酸的質量分數(shù)只有22%左右，不能作為商品出售。王振山等［18］采用磷酸三丁酯為萃取劑，脫芳烴煤油為稀釋劑對溶劑相中的硝酸進行萃取，經(jīng)3次萃取后，母液中的硝酸基本上能被全部除去，剩余母液主要含有鹽酸和鉀鹽，通過萃取或蒸餾可得到高純度的鹽酸。常福松［19］采用辛烯醛為萃取劑，萃取后用水對其洗滌，剩余的萃余相再通過選擇性較好的萃取劑乙醇將水相中的硝酸萃取出來，此方法能使硝酸的質量分數(shù)降至10%～30%，得到的副產(chǎn)物為純凈的鹽酸，可作為商品直接出售。

1.4 硝酸銨與氯化鉀復分解法

復分解法制取硝酸鉀分為非循環(huán)法和循環(huán)法2種。陳文威［20］采用復分解非循環(huán)法制備硝酸鉀，在剩余母液中加入磷肥蒸發(fā)后還可得到含氮、磷、鉀等含多種元素的復合肥料。復分解循環(huán)法則是由法國Auby公司最早開發(fā)，在工藝上又分為3步循環(huán)法和4步循環(huán)法，二者主要區(qū)別在于3步循環(huán)法析出硝酸鉀晶體的溫度為0℃，而4步循環(huán)法為20℃，析出硝酸鉀晶體后3步循環(huán)法升溫至60℃直接析出氯化銨晶體，而4步循環(huán)法需先加入硝酸銨升溫濃縮后，再降溫冷卻至60℃析出氯化銨晶體［21］。3步循環(huán)法雖然操作流程相對簡單，但其在析出硝酸鉀時需人工制冷，而且結晶范圍小，產(chǎn)品收率比較低，因此中國大部分企業(yè)采用4步循環(huán)法工藝生產(chǎn)硝酸鉀。此外，如果使用硝酸銨溶液為原料，4步循環(huán)法則需先將硝酸銨溶液中的水蒸發(fā)除去，由此導致能耗增加；而3步循環(huán)法則可將溶液中的水作為系統(tǒng)所需水的一部分直接參與生產(chǎn)，因此3步循環(huán)法特別適用于以半成品硝酸銨溶液為原料的生產(chǎn)工藝［22-23］，其反應式為:

NH4NO3+KCl→KNO3+NH4Cl

將氯化鉀經(jīng)計量在溶解槽中溶解，過濾除去雜質后與來自氯化銨離心機的二次母液及精制母液在二次母液槽中混合，制成合格的原液。原液經(jīng)換熱器換熱降溫流入真空結晶器，通過真空冷卻結晶后，析出粗硝酸鉀，經(jīng)粗鉀稠厚器增稠后進行離心分離，干燥后得到農(nóng)用硝酸鉀產(chǎn)品，通過精制釜重結晶即可制得工業(yè)級別的硝酸鉀產(chǎn)品。同時將離心分離的一次母液送入一次母液槽，加入一定量的硝酸銨溶液，通過換熱器升溫后進入二效蒸發(fā)室蒸發(fā)、濃縮，再通過氯化銨冷卻結晶釜冷卻降溫，析出氯化銨粗品，經(jīng)氯化銨稠厚器增稠后進行離心分離，可得到氯化銨副產(chǎn)品，二次母液槽可循環(huán)使用［24］。工藝流程如圖4所示。

圖4 復分解循環(huán)法工藝流程圖

復分解工藝原料來源較廣，成本低，工藝設備簡單，投資少，見效快，蒸發(fā)能耗低，副產(chǎn)品氯化銨容易回收，可用作混合肥料，基本無環(huán)境污染。趙家春［25］提出將析出的硝酸鉀晶體在復分解裝置中進行重新加水、加熱、溶解、過濾再降溫析出的復分解反應，可以有效地提高硝酸鉀的產(chǎn)品含量和生產(chǎn)收率。

由上述生產(chǎn)工藝可以看出，硝酸鉀一般情況下是以廉價易得的氯化鉀與硝酸鹽為原料制備得到的。目前，以色列和智利是世界上最大的硝酸鉀生產(chǎn)國，中國產(chǎn)量位居第三。以色列主要采用溶劑萃取法制取硝酸鉀，智利因具有得天獨厚的硝酸鈉礦石資源，主要采用轉化法制取硝酸鉀［26］。中國硝酸鉀生產(chǎn)歷史比較長，20世紀80年代初期，中國開始采用離子交換法生產(chǎn)硝酸鉀，20世紀80年代中期，又研究開發(fā)了復分解法生產(chǎn)硝酸鉀，該法現(xiàn)已實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，成為中國生產(chǎn)硝酸鉀的主要工藝方法［27］。

2 復分解法現(xiàn)有問題的分析

中國復分解法生產(chǎn)硝酸鉀工藝經(jīng)過多年的發(fā)展，存在它特有的優(yōu)勢，但該技術仍存在一些不足需要改進［28］。

2.1 硝酸鉀分離效果差

作為復分解法生產(chǎn)硝酸鉀工藝中主要副產(chǎn)物氯化銨，如何將其與硝酸鉀完全分離是生產(chǎn)高純度硝酸鉀的關鍵。傳統(tǒng)的方法是通過若干個結晶器分別單獨完成硝酸鉀半成品的結晶及氯化銨的分離過程，得到硝酸鉀固液混合物，再經(jīng)過濾、漂洗等后續(xù)處理制成硝酸鉀成品，這種結晶分離方法耗時長，分離出的氯化銨含鉀量高，硝酸鉀損失大，清水使用量大，收率低，很難獲得高質量的硝酸鉀。針對這一問題，趙家春［29］對硝酸鉀中分離氯化銨的方法做了改進，采用若干結晶器串聯(lián)浮選分離，半成品過濾器及排放液漂洗分離相結合的方法，其中排放液漂洗方法有別于傳統(tǒng)的分離方法，即將各種不同濃度的過濾溶液排放于同一儲存罐中用作硝酸鉀初成品漂洗水，它采用的是將不同生產(chǎn)工序中排放出的過濾液分別單獨對硝酸鉀初產(chǎn)品進行漂洗分離，最后再用清水洗滌的方法，此法經(jīng)2次過濾，多次漂洗，使硝酸鉀的生產(chǎn)結晶時間縮短，損耗降低，清水使用量減少，分離效果好，產(chǎn)品質量得到提高。朱建江［30］將傳統(tǒng)方法中2次結晶所得的固液混合物先用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的結晶水、洗滌水或者清水重新進行固液調(diào)配，體積比為（20～40）∶100，再通過重力選礦設備進行固液分離，有效地提高了氯化銨的結晶質量，減少了氯化銨中攜帶硝酸鉀的含量，降低了硝酸鉀的損失。

2.2 硝酸鉀冷卻結晶率低

硝酸鉀結晶率是指溶液冷卻結晶析出的硝酸鉀晶體中鉀離子占原溶液中鉀離子的百分數(shù)。理論上，只要工藝條件和工藝參數(shù)選擇恰當，操作無誤，硝酸鉀的結晶率可以達到65%以上，但大部分企業(yè)在生產(chǎn)過程中硝酸鉀的結晶率一般只有40%～45%。這可能是因為K+與NH4+的離子半徑十分接近（K+為0.133 nm，NH4+為0.143 nm），在結晶過程中存在晶格互相取代，或者以某種形式相互深入到晶體中去。因此，在硝酸鉀和氯化銨的結晶過程中，不僅僅有單一的硝酸鉀和氯化銨的結晶，還有一部分復鹽K2NH4（NO3）3、（K·NH4）Cl2和固溶體NH4·K（NO3）2生成，從而導致硝酸鉀的結晶率低［31］。針對此現(xiàn)象，沈晃宏等［32-33］提出在溶液中加入助劑硝酸鈉，改變?nèi)芤盒纬晒倘荏w和復鹽的特性，從而達到改善產(chǎn)品結晶質量，提高產(chǎn)品產(chǎn)率的目的。

2.3 結晶器換熱面結垢嚴重

中國硝酸鉀冷卻結晶工藝主要有自然冷卻工藝、蛇管冷卻工藝、夾套冷卻工藝、真空冷卻工藝、噴霧冷卻工藝、自冷冷卻工藝和長槽攪拌冷卻工藝，其中蛇管和夾套冷卻結晶工藝為中國大多數(shù)企業(yè)所采用［34］。雖然各種冷卻工藝采用的結晶器有所不同，但均存在不同程度的換熱面結垢現(xiàn)象，嚴重時會導致熱阻增加，傳熱系數(shù)減少，能耗增加，生產(chǎn)效率降低。據(jù)分析［35-36］，換熱面結垢原因主要有2個:1）因為水的極性分子作用，換熱器表面金屬發(fā)生水化，表面金屬離子借由水化面進入溶液中的金屬表面層中，致使結晶器鋼材表面帶有負電荷，吸附溶液中的陽離子，當換熱面冷卻時其表面吸附的硝酸鉀分子誘使硝酸鉀晶核在吸附層生長，成為晶體；2）因為分子間的相互作用力，緊靠金屬表面溶液中的硝酸鉀晶體與金屬表面形成的硝酸鉀晶體會連接在一起，形成結垢。為提高硝酸鉀的結晶效率，防止結垢，可以適當提高溶液中n（NH4+）／n（K+）值，使金屬表面層吸附的NH4+增多，K+相對減少。但n（NH4+）／n（K+）值不宜太高，否則會降低硝酸鉀的產(chǎn)率?；蛘邔饘俦砻鎸舆M行化學拋光或者電化學拋光處理，使換熱面產(chǎn)生一層光滑的覆蓋層，降低金屬表面靜電層的電荷密度，減弱吸附作用，減少結垢。但不能對金屬表面進行機械拋光處理，否則會破壞金屬表面的氧化膜，加強水化作用，加大靜電荷密度，使結垢現(xiàn)象更加嚴重。

2.4 除雜效果不理想

復分解法制備硝酸鉀體系中雜質的主要來源: 1）原料氯化鉀帶入的雜質，主要有氯化鈉、氯化鎂、硫酸鉀和碳酸鉀；2）反應中的副產(chǎn)物氯化銨。硝酸鉀產(chǎn)品中上述雜質含量如果超標，會加強黑火藥、導火索的吸濕性，影響質量，嚴重的會造成重大傷亡事故。同時雜質中氯化鈉含量過高則會腐蝕金屬，硫酸鉀含量過高則會降低光學玻璃的透明度，氯化鎂含量過高則會使母液蒸發(fā)困難，換熱面結垢嚴重。因此，為了得到高純度的硝酸鉀，生產(chǎn)過程中必須加強對雜質的處理［37-38］。

3 結語

綜上所述，轉化法容易受到資源的限制，離子交換法設備成本比較高，溶劑萃取法工廠存在爆炸的風險；而復分解法原料來源廣、成本低、工藝設備簡單、蒸發(fā)能耗低，已經(jīng)成為中國生產(chǎn)硝酸鉀的主要方法。盡管如此，該方法在生產(chǎn)上仍然存在硝酸鉀分離效果差、冷卻結晶率低、換熱面結垢嚴重和除雜效果不理想等問題，有待繼續(xù)改進和完善，向高品質、高效益的硝酸鉀生產(chǎn)模式發(fā)展。

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Summary of production process of potassium nitrate and existing problems and solutions in complex decomposition cycle method

Duan Zhengkang，Xie Fan，Zhang Tao，Li Sheng，Yan Jianhua
（College of Chemical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China）

The four main production technologies，including conversion method of sodium nitrate and potassium chloride，ion exchange method of ammonium nitrate and potassium chloride，solvent extraction method of nitric acid and potassium chloride，and complex decomposition cycle method of ammonium nitrate and potassium chloride，of potassium nitrate both in China and abroad were summarized.The characteristics of these four different production technologies were compared.In the four kinds of production technologies，complex decomposition cycle method of ammonium nitrate and potassium chloride is the main production technology for potassium nitrate in China.Some major existing problems，such as poor separation effect of potassium nitrate，bad cooling crystallization effect of potassium nitrate，serious scaling of heat exchange surface of crystallizer，and bad purification，in this production technology were introduced emphatically.Furthermore，advices and measures for improving these problems were put forward.

potassium nitrate；production process；complex decomposition cycle method；improving measures

TQ131.13

A

1006-4990（2015）05-0004-05

2014-11-29

段正康（1964— ），男，教授，碩士生導師。主要從事化學品的定性與定量分析方法建立研究；醫(yī)藥及其中間體、染料及其中間體等的合成方法研究；加氫與脫氫催化劑的合成與表征方法研究；高端玻璃制造用材料的制備與表征研究等。已發(fā)表核心期刊論文20多篇，授權發(fā)明專利3件。

湖南省科技廳工業(yè)支撐計劃重點項目（2014GK4013）。

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